基于中頻數(shù)字化平臺的脈沖波形參數(shù)測量研究

鄧 波，王厚軍，王志剛

（電子科技大學，四川 成都 610054）

1 引 言

現(xiàn)代電磁環(huán)境具有復雜多變的特征，而在軍事領(lǐng)域中，由于各類電子設(shè)備如雷達及導彈武器等的大量使用，形成了復雜、多變且具有嚴重威脅的電子對抗環(huán)境。為了能夠在這樣復雜的電磁環(huán)境中實現(xiàn)對目標雷達進行準確識別和定位，就需要能實時分離出目標雷達的脈沖包絡并測量其相關(guān)時域參數(shù)，如幅度（PA）、脈沖到達時間（TOA）、上升/下降時間（TR/TF）和脈沖寬度（PW）等。能否實時準確測得脈沖包絡的時域參數(shù)直接影響偵查設(shè)備的性能的好壞[1]。設(shè)計研究并提出了基于中頻數(shù)字化平臺對準確實時檢測出的目標信號的包絡波形相關(guān)時域參數(shù)進行測量的方法，并最終在現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中進行實現(xiàn)，具有實時性好、精度較高等特性，可以用于實現(xiàn)對目標雷達的識別和定位。

2 脈沖參數(shù)定義

現(xiàn)代通信中，為了實現(xiàn)傳輸信號在天線端的發(fā)送或?qū)崿F(xiàn)不同信號源、不同系統(tǒng)的頻分復用，提高信道利用率、發(fā)射效率以及改善通信質(zhì)量，都在發(fā)送方進行調(diào)制，即在發(fā)射端將信號從低頻段變換到高頻段，而在接收端再將其解調(diào)出來[2]。解調(diào)是在接收端將接收到的調(diào)制信號從高頻段變換到低頻段，恢復為發(fā)送方的原信號。包絡檢波的原理就是利用普通調(diào)幅信號的包絡反映調(diào)制信號波形變化的特點，提取該調(diào)制信號的包絡即為原信號。設(shè)計中對脈沖包絡參數(shù)進行測量的輸入波形是敵方雷達輸入信號經(jīng)絕對值法檢波及CIC濾波后的包絡信號輸入。

設(shè)計中的參數(shù)測量是要對經(jīng)絕對值法檢波及CIC濾波后的雷達脈沖包絡輸入信號的幅值（PA）、脈沖到達時間（TOA）、脈沖寬度（PW）、脈沖上升時間（TR）及下降時間（TF）進行測量[3]，各參數(shù)定義為[4]：

幅值（PA）：脈沖頂值與底值之差，當輸入脈沖有高頻干擾信號時，頂值與底值即為比較穩(wěn)定的頂值區(qū)與底值區(qū)內(nèi)的平均值。

脈沖到達時間（TOA）：脈沖到達時間分為脈沖前沿到達時間和脈沖后沿到達時間，其定義為脈沖上升和下降到幅值的一半的時間點，脈沖到達時間又可以分為脈沖后沿到達時間和脈沖前沿到達時間，分別記為TOA+和TOA-。

脈沖寬度（PW）：脈沖幅值50%的兩點之間的時間間隔，可以表示為TOA+和TOA-之間的時間寬度。

脈沖上升時間（TR）：脈沖幅度由幅值的10%上升到90%的時間。

脈沖下降時間（TF）：脈沖幅度由幅值的90%下降到10%的時間。

3 脈沖參數(shù)測量設(shè)計

脈沖波形參數(shù)實時準確的測量是實時地識別、告警、正確引導干擾系統(tǒng)對目標雷達進行干擾的前提。參數(shù)測量模塊主要是完成前級檢波結(jié)果的輸入脈沖波形的上升時間、下降時間、脈沖寬度、到達時間及幅值等時域參數(shù)的測量[4-6]。

3.1 脈沖幅值（PA）測量

幅值測量是求幅值區(qū)各采樣點的幅值之和的平均值所得，即：

式中：M——幅值區(qū)的采樣點數(shù)；

SPK——各采樣點的幅值。

幅值區(qū)的求取是通過對輸入信號求導數(shù)獲得，由于在幅值區(qū)內(nèi)，信號的導數(shù)基本為零，而在上升沿和下降沿的開始和結(jié)束部分其導數(shù)都有較大的跳變，由此可以確定幅值區(qū)的開始和結(jié)束位置，從而求平均值得到脈沖信號的幅度值。

3.2 脈沖到達時間（TOA）測量

脈沖到達時間分為脈沖前沿到達時間和脈沖后沿到達時間，根據(jù)計算出的脈沖幅值PA，找出-6 dB門限附近的兩點A和B，以它們的連線與-6 dB門限的交點確定TOA，交點與A點的時間偏移量，再加上A點的時間TA，即為TOA。該設(shè)計中只給出脈沖前沿到達時間計算方法，后沿到達時間與前沿到達時間計算方法相似[7]：

3.3 脈沖寬度（PW）測量

脈沖寬度測量相對簡單，根據(jù)計算出的脈沖前沿到達時間和脈沖后沿到達時間即可求得：

3.4 脈沖上升時間（TR）和下降時間（TF）測量

上升時間即為信號從其幅值的10%到90%所用的時間，根據(jù)以上計算出的幅值，可算得上升時間和下降時間的起始點和終點，分別設(shè)為TR-、TR+、TF-和TF+，則上升時間和下降時間分別為TR+-TR-和TF+-TF-。

根據(jù)以上參數(shù)測量原理，設(shè)計脈沖參數(shù)測量總體框圖如圖1所示。

由此原理設(shè)計FPGA程序框圖如圖2所示。其中False_Alarm模塊是根據(jù)預設(shè)的脈沖上升時間TR_Preset信號判斷干擾信號，當輸入的脈沖信號上升時間小于預設(shè)的脈沖上升時間的50%時，視為干擾信號，置輸出Real_Pulse無效，后級參數(shù)測量模塊不予處理，從而達到去除干擾的目的。

圖1 參數(shù)測量總體框圖

模塊Parameter_Measure是參數(shù)測量模塊，該模塊同時輸出脈沖包絡的各參數(shù)值。由于不同雷達信號的頻率范圍較寬，脈內(nèi)跳頻較大，但其上升時間和下降時間基本固定[7-8]，變化不大。由此特性，邏輯設(shè)計中將輸入脈沖包絡緩存預估脈沖上升時間TR_cal的兩倍時間，從而可以完全包含幅值區(qū)的開始時間點，由此即可測出幅值。由于雷達信號脈內(nèi)跳頻相對較大，即脈沖幅值區(qū)的寬度相差較大，設(shè)計中幅值區(qū)內(nèi)的采樣點數(shù)固定為上升時間點的個數(shù)。當幅值區(qū)較寬時，幅值區(qū)采樣點數(shù)達到上升時間的采樣點數(shù)后，若幅值區(qū)還在持續(xù)，則以后每次幅值區(qū)內(nèi)新的采樣值替換前一個值保存，即將當前采樣點的值作為新的幅值，從而達到節(jié)約邏輯資源并自適應脈內(nèi)跳頻的效果，最終輸出的幅值是將幅值區(qū)內(nèi)上升時間點個數(shù)的幅度值采樣點求平均值即可；若幅值區(qū)較窄，區(qū)內(nèi)采樣點數(shù)小于上升時間點數(shù)，則對幅值區(qū)內(nèi)的采樣值求平均值即可。根據(jù)實時計算出的脈沖幅值可以計算出各參數(shù)前后采樣點的值，從而可以得到各參數(shù)的開始和結(jié)束點，計算始點和終點之間的采樣點數(shù)，用點數(shù)值乘以采樣時鐘周期即為測得的各參數(shù)值，并在脈沖結(jié)束時同時輸出測得的各脈沖參數(shù)。

圖2 參數(shù)測量邏輯設(shè)計

4 仿真結(jié)果

在仿真階段，設(shè)計中的輸入波形用Matlab產(chǎn)生.mif文件模擬，其波形如圖3中Data_Detected所示。該信號是經(jīng)過絕對值檢波器、CIC濾波器之后的雷達脈沖包絡信號，該脈沖包絡信號經(jīng)參數(shù)測量模塊后所得的仿真結(jié)果如圖3所示，實際輸入脈沖包絡信號的各參數(shù)值分別為：PA=145、PW=485、TOA=120、TR=240、TF=140。

圖3 仿真參數(shù)測量輸出

由此可知，經(jīng)絕對值檢波、CIC濾波后輸入的脈沖包絡波形的參數(shù)測量仿真結(jié)果跟實際波形參數(shù)基本一致，仿真所得波形參數(shù)與實際波形參數(shù)相差最大的是下降時間TF，誤差為真實時間的5%。所以設(shè)計參數(shù)測量結(jié)果精度較高，可以用于對目標雷達系統(tǒng)的識別和定位，且設(shè)計都是在FPGA中進行，沒有用到乘法器等資源占用量大的模塊，節(jié)省資源的同時也提高了運行速率，可以達到波形時域參數(shù)實時測量的目的[9]。

5 實驗結(jié)果

設(shè)計中選用德州儀器的TMS320VC5416這款DSP芯片進行系統(tǒng)功能的在線測試，輸入波形為仿真時輸入的脈沖包絡，經(jīng)DSP仿真器輸出數(shù)據(jù)如圖4所示。

脈沖包絡信號連續(xù)輸入，參數(shù)測量模塊對輸入的每一個脈沖包絡的時域參數(shù)進行測量，并依次存儲到從0x4 000開始的空間中，輸出順序依次為幅值PA、脈沖寬度PW、下降時間TF、到達時間TOA和上升時間TR所持續(xù)的采樣點數(shù)，實驗中的采樣頻率為66MHz，各參數(shù)所持續(xù)采樣點數(shù)乘以采樣周期1/66μs即為所得的各參數(shù)值。

5.1 精度分析

由實驗結(jié)果可知，測得的值與實際值相差很小，誤差最大的參數(shù)是下降時間TF，誤差為4.3%，時間誤差為（1/66）×0.043=0.65 ns，誤差根據(jù)實際采樣率的不同而不同，降低采樣率會導致精度的降低，但由于采樣點數(shù)的減少，可以提高信號處理速度。如用20 MHz的采樣率時，最大時間誤差即為0.043×（1/20）=2.15 ns，測量精度較高，可以滿足精度要求。

5.2 實時性分析

由設(shè)計可知，脈沖包絡的采樣值是在采樣點順序輸入FPGA的同時進行的，當脈沖信號結(jié)束后，輸出各參數(shù)的時間延遲分別為：PAdelay=2Ts、TOA-delay=TOA+delay=4Ts、TRdelay=2Ts、PWdelay=2Ts、TFdelay=2Ts，由此可知輸出脈沖參數(shù)時間延遲為：

所以，脈沖包絡后沿結(jié)束242.2 ns后即可完成測量并輸出，完全可以滿足實時性測量的要求。

圖4 DSP實驗結(jié)果

6 結(jié)束語

設(shè)計利用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)雷達信號脈沖包絡參數(shù)的實時測量，具有良好的實時性和較高的測量精度，可以用于后續(xù)DSP算法中實現(xiàn)對目標雷達的定位和識別。設(shè)計沒有用到乘法器等資源占用量很大的模塊，節(jié)約硬件資源的同時也縮短了運行時間，從而達到了較好的實時性目的，最終獲得了較為準確的脈沖信號時域參數(shù)，在雷達識別和定位領(lǐng)域中具有良好的應用前景。

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